Gas-vätskekromatografi

Mall:Infobox kemisk analysgas-vätskekromatografi (GLC), eller helt enkelt gaskromatografi (GC), är en typ av kromatografi där den mobila fasen är en bärargas, vanligtvis en inert gas såsom helium eller en oreaktiv gas såsom kväve, och den stationära fasen är ett mikroskopiskt lager av vätska eller polymer på ett inert fast stöd, inuti glas-eller metallrör, kallas en kolumn. Instrumentet som används för att utföra gaskromatografiska separationer kallas en gaskromatograf (även: aerograf, gasavskiljare).

historia

kromatografi dateras till 1903 i arbetet med den ryska forskaren Mikhail Semenovich Tswett. Tysk doktorand Fritz Prior utvecklade solid state gaskromatografi 1947. Archer John Porter Martin, som tilldelades Nobelpriset för sitt arbete med att utveckla flytande vätska (1941) och papper (1944) kromatografi, lade grunden för utvecklingen av gaskromatografi och senare producerade flytande gaskromatografi (1950).

den brittiska Beagle 2 rymdfarkosten som var avsedd att landa på Mars 2003 var utrustad med en gaskromatografmasspektrometer (GC-MS) som en del av dess instrumentpaket för att upptäcka kol som kan hänföras till levande organismer.

GC-analys

en gaskromatograf är ett kemiskt analysinstrument för att separera kemikalier i ett komplext prov. En gaskromatograf använder ett genomströmmande smalt rör som kallas kolonnen, genom vilket olika kemiska beståndsdelar i ett prov passerar i en gasström (bärgas, mobil fas) i olika hastigheter beroende på deras olika kemiska och fysikaliska egenskaper och deras interaktion med en specifik kolonnfyllning, kallad stationär fas. När kemikalierna lämnar kolonnens ände detekteras och identifieras de elektroniskt. Funktionen för den stationära fasen i kolonnen är att separera olika komponenter, vilket får var och en att lämna kolonnen vid en annan tidpunkt (retentionstid). Andra parametrar som kan användas för att ändra ordning eller tid för retention är bärgasflödeshastigheten och temperaturen.

i en GC-analys injiceras en känd volym gasformig eller flytande analyt i kolonnens” ingång ” (Huvud), vanligtvis med hjälp av en mikrospruta (eller fastfasmikroextraktionsfibrer eller ett gaskällkopplingssystem). När bärargasen sveper analytmolekylerna genom kolonnen hämmas denna rörelse genom adsorptionen av analytmolekylerna antingen på kolonnväggarna eller på förpackningsmaterial i kolonnen. Hastigheten vid vilken molekylerna fortskrider längs kolonnen beror på adsorptionsstyrkan, som i sin tur beror på typen av molekyl och på de stationära fasmaterialen. Eftersom varje typ av molekyl har en annan progressionshastighet separeras de olika komponenterna i analytblandningen när de fortskrider längs kolonnen och når kolonnens ände vid olika tidpunkter (retentionstid). En detektor används för att övervaka utloppsströmmen från kolonnen; således kan den tid då varje komponent når utloppet och mängden av den komponenten bestämmas. I allmänhet identifieras ämnen (kvalitativt) av den ordning i vilken de kommer ut (elute) från kolonnen och av retentionstiden för analyten i kolonnen.

fysiska komponenter

Autosamplers

autosampler ger möjlighet att automatiskt införa ett prov i inlopp. Manuell insättning av provet är möjligt men är inte längre vanligt. Automatisk insättning ger bättre reproducerbarhet och tidsoptimering.

olika typer av autosamplers finns. Autosamplers kan klassificeras i förhållande till provkapacitet (auto-injektorer VS autosamplers, där auto-injektorer kan arbeta ett litet antal prover), till robotteknik( XYZ robot VS roterande / SCARA-robot – den vanligaste), eller till analys:

• vätska
• statiskt huvudutrymme med sprutteknik
• dynamiskt huvudutrymme med överföringsteknik
• SPME

traditionellt autosampler tillverkar skiljer sig från GC tillverkar och för närvarande ingen GC tillverkning erbjuder ett komplett sortiment av autosamplers. Historiskt sett är de länder som är mest aktiva inom autosampler-teknikutveckling USA, Italien och Schweiz.

inlopp

kolonninloppet (eller injektorn) ger möjlighet att införa ett prov i ett kontinuerligt flöde av bärgas. Inloppet är en hårdvara som är fäst vid kolonnhuvudet.

vanliga inloppstyper är:

• s/SL (Split / Splitless) injektor; ett prov införs i en uppvärmd liten kammare via en spruta genom en septum – värmen underlättar förångning av provet och provmatrisen. Bärargasen sveper sedan antingen hela (splitless mode) eller en del (split mode) av provet i kolonnen. I delat läge töms en del av prov – / bärgasblandningen i insprutningskammaren genom splitventilen.
• inlopp på kolonnen; provet introduceras här i sin helhet utan värme.
• PTV-injektor; Temperaturprogrammerad provintroduktion beskrevs först av Vogt 1979. Ursprungligen utvecklade Vogt tekniken som en metod för införande av stora provvolymer (upp till 250 occl) i kapillär GC. Vogt introducerade provet i fodret med en kontrollerad injektionshastighet. Temperaturen hos fodret valdes något under lösningsmedlets kokpunkt. Det lågkokande lösningsmedlet indunstades kontinuerligt och ventilerades genom delningslinjen. Baserat på denna teknik utvecklade Poy den programmerade Temperaturförångningsinjektorn; PTV. Genom att införa provet vid en låg initial linertemperatur kunde många av nackdelarna med de klassiska heta injektionsteknikerna kringgås.
• Gaskällans inlopps-eller gaskopplingsventil; gasformiga prover i uppsamlingsflaskor är anslutna till det som oftast är en sexportskopplingsventil. Bärgasflödet avbryts inte medan ett prov kan expanderas till en tidigare evakuerad provslinga. Vid omkoppling sätts innehållet i provslingan in i bärargasströmmen.
• p / t (Purge-and-Trap) system; en inert gas bubblas genom ett vattenhaltigt prov som orsakar olösliga flyktiga kemikalier som ska rensas från matrisen. De flyktiga ämnena är ’fångade’ på en absorberande kolonn (känd som en fälla eller koncentrator) vid omgivande temperatur. Fällan upphettas sedan och flyktiga ämnen riktas in i bärgasströmmen. Prover som kräver förkoncentration eller rening kan införas via ett sådant system, vanligtvis ansluten till s/SL-porten.
• SPME (solid phase microextraction) erbjuder ett bekvämt, billigt alternativ till P/T-system med mångsidigheten hos en spruta och enkel användning av s/SL-porten.

kolumner

två typer av kolumner används i GC:

• packade kolumner är 1,5 – 10 m i längd och har en innerdiameter av 2-4 mm. slangen är vanligtvis tillverkad av rostfritt stål eller glas och innehåller en förpackning av finfördelat, inert, fast stödmaterial (t. ex. kiselgur) som är belagd med en flytande eller fast stationär fas. Beläggningsmaterialets natur bestämmer vilken typ av material som kommer att adsorberas starkast. Således finns många kolumner tillgängliga som är utformade för att separera specifika typer av föreningar.
• Kapillärkolonner har en mycket liten inre diameter, i storleksordningen några tiondelar millimeter, och längder mellan 25-60 meter är vanliga. De inre kolonnväggarna är belagda med de aktiva materialen (WCOT-kolumner), vissa kolumner är kvasifasta fyllda med många parallella mikroporer (PLOTTKOLUMNER). De flesta kapillärkolonner är gjorda av smält kiseldioxid med en yttre beläggning av polyimid. Dessa kolumner är flexibla, så en mycket lång kolonn kan lindas i en liten spole.
• nya utvecklingar söks där stationära faskompatibiliteter leder till geometriska lösningar av parallella kolumner inom en kolumn. Bland dessa nya utvecklingar är:
  • internt uppvärmda mikrofasta kolumner, där två kolumner, en intern värmetråd och en temperatursensor kombineras i en gemensam kolonnmantel (microFAST);
  • Mikropackade kolumner (1/16 ” OD) är kolumn-i-kolumn packade kolumner där det yttre kolonnutrymmet har en förpackning som skiljer sig från det inre kolonnutrymmet, vilket ger separationsbeteendet för två kolumner i en. De kan enkelt passa till inlopp och detektorer av ett kapillärkolonninstrument.

temperaturberoendet av molekylär adsorption och progressionshastigheten längs kolonnen kräver en noggrann kontroll av kolonntemperaturen inom några tiondelar av en grad för exakt arbete. Att minska temperaturen ger den största separationsnivån, men kan resultera i mycket långa elueringstider. I vissa fall rampas temperaturen antingen kontinuerligt eller i steg för att ge önskad separation. Detta kallas ett temperaturprogram. Elektronisk tryckreglering kan också användas för att modifiera flödeshastigheten under analysen, medhjälp i snabbare körtider samtidigt som acceptabla nivåer av separation.

valet av bärgas (mobil fas) är viktigt, med väte som den mest effektiva och ger den bästa separationen. Helium har emellertid ett större flödesintervall som är jämförbara med väte i effektivitet, med den extra fördelen att helium är icke brandfarligt och arbetar med ett större antal detektorer. Därför är helium den vanligaste bärargasen som används.

detektorer

ett antal detektorer används i gaskromatografi. De vanligaste är flamjoniseringsdetektorn (FID) och Värmeledningsdetektorn (TCD). Båda är känsliga för ett brett spektrum av komponenter, och båda arbetar över ett brett spektrum av koncentrationer. Medan TCD: er är väsentligen universella och kan användas för att detektera någon annan komponent än bärargasen (så länge deras värmeledningsförmåga är annorlunda än bärargasens, vid detektortemperatur), är fid: er främst känsliga för kolväten och är känsligare för dem än TCD. En FID kan dock inte upptäcka vatten. Båda detektorerna är också ganska robusta. Eftersom TCD är icke-destruktiv kan den drivas i serie före en fid (destruktiv), vilket ger komplementär detektering av samma eluenter.

andra detektorer är endast känsliga för specifika typer av ämnen, eller fungerar bra endast i smalare koncentrationsområden. De inkluderar:

• urladdningsjoniseringsdetektor (DID)
• elektronfångningsdetektor (ECD)
• flamfotometrisk detektor (FPD)
• Hall elektrolytisk konduktivitetsdetektor (ElCD)
• heliumjoniseringsdetektor (HID)
• kvävefosfor detektor (NPD)
• massselektiv detektor (MSD)
• fotojoniseringsdetektor (pid)
• pulsad urladdningsjoniseringsdetektor (PDD)

vissa gaskromatografer är anslutna till en masspektrometer som fungerar som detektor. Kombinationen är känd som GC-MS. Vissa GC-MS är anslutna till en kärnmagnetisk resonansspektrometer som fungerar som en back-up detektor. Denna kombination är känd som GC-MS-NMR.Vissa GC-MS-NMR är anslutna till en infraröd spektra som fungerar som en back up detektor. Denna kombination är känd som GC-MS-NMR-IR.It måste dock betonas att detta är mycket sällsynt eftersom de flesta analyser som behövs kan avslutas via Rent GC-MS

metoder

metoden är insamlingen av förhållanden där GC fungerar för en given analys. Metodutveckling är processen att bestämma vilka villkor som är tillräckliga och / eller idealiska för den analys som krävs.

förhållanden som kan varieras för att tillgodose en nödvändig analys inkluderar inloppstemperatur, detektortemperatur, kolonntemperatur och temperaturprogram, bärargas och bärargasflöden, kolonnens stationära fas, diameter och längd, inloppstyp och flödeshastigheter, provstorlek och injektionsteknik. Beroende på detektor(er) (se nedan) installerad på GC kan det finnas ett antal detektorförhållanden som också kan varieras. Vissa GCs inkluderar också ventiler som kan ändra vägen för prov och bärarflöde, och tidpunkten för vridningen av dessa ventiler kan vara viktig för metodutveckling.

val av bärargas och flödeshastigheter

typiska bärargaser inkluderar helium, kväve, argon, väte och luft. Vilken gas som ska användas bestäms vanligtvis av detektorn som används, till exempel kräver en did helium som bärargas. Vid analys av gasprover väljs emellertid bäraren ibland baserat på provets matris, till exempel vid analys av en blandning i argon föredras en argonbärare, eftersom argonen i provet inte dyker upp på kromatogrammet. Säkerhet och tillgänglighet kan också påverka bärarvalet, till exempel är väte brandfarligt och helium med hög renhet kan vara svårt att få i vissa delar av världen. (Se: Helium-förekomst och produktion.)

bärgasens renhet bestäms också ofta av detektorn, även om den känslighetsnivå som behövs också kan spela en viktig roll. Vanligtvis används renheter på 99,995% eller högre. Handelsnamn för typiska renheter inkluderar ”Zero Grade”, ”Ultra-High Purity (UHP) Grade”, ”4.5 Grade” och ” 5.0 Grade.”

bärgasflödet påverkar analysen på samma sätt som temperaturen gör (se ovan). Ju högre flödeshastighet desto snabbare analysen, men desto lägre är separationen mellan analyter. Att välja flödeshastigheten är därför samma kompromiss mellan separationsnivån och analysens längd som att välja kolonntemperaturen.

med GCs gjorda före 1990-talet styrdes bärarens flödeshastighet indirekt genom att styra bärarens inloppstryck eller ”kolonnhuvudtryck.”Den faktiska flödeshastigheten mättes vid kolonnens utlopp eller detektorn med en elektronisk flödesmätare eller en bubbelflödesmätare och kan vara en involverad, tidskrävande och frustrerande process. Tryckinställningen kunde inte varieras under körningen, och därmed var flödet väsentligen konstant under analysen.

många moderna GCs mäter emellertid elektroniskt flödeshastigheten och styr bärarens gastryck elektroniskt för att ställa in flödeshastigheten. Följaktligen kan bärartryck och flödeshastigheter justeras under körningen, vilket skapar tryck/flödesprogram som liknar temperaturprogram.

Inloppstyper och flödeshastigheter

valet av inloppstyp och injektionsteknik beror på om provet är i flytande, gas, adsorberad eller fast form och om det finns en lösningsmedelsmatris som måste förångas. Upplösta prover kan införas direkt på kolonnen via en COC-injektor, om förhållandena är välkända; om en lösningsmedelsmatris måste förångas och delvis avlägsnas används en s/SL-injektor (vanligaste injektionstekniken); gasformiga prover (t. ex. luftcylindrar) injiceras vanligtvis med ett gasomkopplingsventilsystem; adsorberade prover (t. ex., på adsorbentrör) införs med användning av antingen en extern (on-line eller off-line) desorptionsapparat såsom ett purge-and-trap-system, eller desorberas i s/SL-injektorn (SPME-applikationer).

provstorlek och injektionsteknik

Provinjektion

den verkliga kromatografiska analysen börjar med introduktionen av provet på kolonnen. Utvecklingen av kapillärgaskromatografi resulterade i många praktiska problem med injektionstekniken. Tekniken för injektion på kolonnen, som ofta används med packade kolumner, är vanligtvis inte möjlig med kapillärkolonner. Insprutningssystemet i kapillärgaskromatografen ska uppfylla följande två krav:

1. den injicerade mängden bör inte överbelasta kolonnen.
2. bredden på den injicerade kontakten ska vara liten jämfört med spridningen på grund av den kromatografiska processen. Underlåtenhet att uppfylla detta krav kommer att minska kolonnens separationsförmåga. Som en allmän regel bör volymen injicerad, Vinj och volymen av detecor-cellen, Vdet, vara ungefär 1/10 av volymen upptagen av den del av provet som innehåller molekylerna av intresse (analyter) när de lämnar kolonnen.

några allmänna krav, som en bra injektionsteknik bör uppfylla, är:

• det bör vara möjligt att erhålla kolonnens optimala separationseffektivitet.
• det bör möjliggöra noggranna och reproducerbara injektioner av små mängder representativa prover.
• det bör inte inducera någon förändring i provkompositionen. Det bör inte uppvisa diskriminering på grund av skillnader i kokpunkt, polaritet, koncentration eller termisk/katalytisk stabilitet.
• det bör vara tillämpligt för spåranalys såväl som för outspädda prover.

Mall: expandera

Kolumnval

Mall:expandera

Kolumntemperatur och temperaturprogram

kolonnen / kolumnerna i en GC finns i en ugn, vars temperatur styrs exakt elektroniskt. (När man diskuterar ”kolonnens temperatur” hänvisar en analytiker Tekniskt till kolonnugnens temperatur. Skillnaden är dock inte viktig och kommer inte att göras senare i den här artikeln.)

den hastighet med vilken ett prov passerar genom kolonnen är direkt proportionell mot kolonnens temperatur. Ju högre kolonntemperatur, desto snabbare rör sig provet genom kolonnen. Ju snabbare ett prov rör sig genom kolonnen, desto mindre interagerar det med den stationära fasen och desto mindre separeras analyterna.

i allmänhet väljs kolonntemperaturen för att kompromissa mellan analysens längd och separationsnivån.

en metod som håller kolonnen vid samma temperatur för hela analysen kallas ”isotermisk.”De flesta metoder ökar emellertid kolonntemperaturen under analysen, den initiala temperaturen, temperaturökningshastigheten (temperaturen ”ramp”) och den slutliga temperaturen kallas ”temperaturprogrammet.”

ett temperaturprogram tillåter analyter som eluerar tidigt i analysen att separera tillräckligt, samtidigt som den tid det tar för sen eluerande analyter att passera genom kolumnen förkortas.

datareduktion och analys

kvalitativ analys:

generellt presenteras kromatografiska data som ett diagram över detektorrespons (y-axel) mot retentionstid (x-axel). Detta ger ett spektrum av Toppar för ett prov som representerar analyterna närvarande i ett prov eluering från kolonnen vid olika tidpunkter. Retentionstid kan användas för att identifiera analyter om metodförhållandena är konstanta. Mönstret av toppar kommer också att vara konstant för ett prov under konstanta förhållanden och kan identifiera komplexa blandningar av analyter. I de flesta moderna applikationer är dock GC ansluten till en masspektrometer eller liknande detektor som kan identifiera analyterna representerade av topparna.

kvantitativ analys:

arean under en topp är proportionell mot mängden analyt närvarande. Genom att beräkna toppområdet med hjälp av integrationens matematiska funktion kan koncentrationen av en analyt i det ursprungliga provet bestämmas. Koncentrationen kan beräknas med hjälp av en kalibreringskurva skapad genom att hitta svaret för en serie koncentrationer av analyt eller genom att bestämma den relativa responsfaktorn för en analyt. Den relativa responsfaktorn är det förväntade förhållandet mellan en analyt och en intern standard (eller extern standard) och beräknas genom att hitta svaret från en känd mängd analyt och en konstant mängd intern standard (en kemikalie tillsatt till provet vid en konstant koncentration, med en distinkt retentionstid till analyten).

i de flesta moderna GC-MS-system används datorprogramvara för att rita och integrera toppar och matcha MS-spektra till biblioteksspektra.

ansökan

i allmänhet ämnen som förångas under ca. 300 C (och är därför stabila upp till den temperaturen) kan mätas kvantitativt. Proverna måste också vara saltfria; de bör inte innehålla joner. Mycket små mängder av ett ämne kan mätas, men det krävs ofta att provet måste mätas i jämförelse med ett prov som innehåller det rena, misstänkta ämnet.

olika temperaturprogram kan användas för att göra avläsningarna mer meningsfulla; till exempel för att skilja mellan ämnen som beter sig på samma sätt under GC-processen.

yrkesverksamma som arbetar med GC analyserar innehållet i en kemisk produkt, till exempel för att säkerställa kvaliteten på produkter inom kemisk industri; eller mäta giftiga ämnen i mark, luft eller vatten. GC är mycket exakt om den används korrekt och kan mäta picomoler av ett ämne i ett 1 ml flytande prov eller delar per miljard koncentrationer i gasformiga prover.

i praktiska kurser på högskolor får eleverna ibland bekanta sig med GC genom att studera innehållet i lavendelolja eller mäta eten som utsöndras av Nicotiana benthamiana-växter efter att ha artificiellt skadat sina löv. Dessa GC analyserkolväten (C2-C40+). I ett typiskt experiment används en packad kolonn för att separera de lätta gaserna, som sedan detekteras med en TCD. Kolvätena separeras med användning av en kapillärkolonn och detekteras med en FID. En komplikation med lätta gasanalyser som inkluderar H2 är att He, som är den vanligaste och mest känsliga inerta bäraren (känsligheten är proportionell mot molekylmassan) har en nästan identisk värmeledningsförmåga till väte (det är skillnaden i värmeledningsförmåga mellan två separata filament i ett arrangemang av Wheatstone Bridge-typ som visar när en komponent har eluerats). Av denna anledning används dubbla TCD-instrument med en separat kanal för väte som använder kväve som bärare är vanliga. Argon används ofta vid analys av gasfaskemi reaktioner såsom F – t-syntes så att en enda bärargas kan användas snarare än 2 separata. Känsligheten är mindre men detta är en avvägning för enkelhet i gasförsörjningen.

GCs i populärkulturen

filmer, Böcker och TV-program tenderar att förvränga kapaciteten hos gaskromatografi och arbetet med dessa instrument.

i den amerikanska TV-showen CSI, till exempel, används GCs för att snabbt identifiera okända prover. ”Det här är bensin som köpts på en Chevronstation under de senaste två veckorna”, säger analytikern femton minuter efter att ha fått provet.

faktum är att en typisk GC-analys tar mycket mer tid; ibland måste ett enda prov köras mer än en timme enligt det valda programmet; och ännu mer tid behövs för att ”värma ut” kolumnen så att den är fri från det första provet och kan användas för nästa. På samma sätt behövs flera körningar för att bekräfta resultaten av en studie – en GC-analys av ett enda prov kan helt enkelt ge ett resultat per chans (se statistisk signifikans).

dessutom identifierar GC inte positivt de flesta prover; och inte alla ämnen i ett prov kommer nödvändigtvis att detekteras. Allt en GC verkligen berättar är vid vilken relativ tid en komponent eluerad från kolonnen och att detektorn var känslig för den. För att göra resultaten meningsfulla måste analytiker veta vilka komponenter vid vilka koncentrationer som kan förväntas; och även då kan en liten mängd av ett ämne gömma sig bakom ett ämne som har både en högre koncentration och samma relativa elueringstid. Sist men inte minst behövs det ofta att kontrollera provets resultat mot en GC-analys av ett referensprov som endast innehåller det misstänkta ämnet.

en GC-MS kan ta bort mycket av denna tvetydighet, eftersom masspektrometern kommer att identifiera komponentens molekylvikt. Men det tar fortfarande tid och skicklighet att göra ordentligt.

på samma sätt är de flesta GC-analyser inte tryckknappsoperationer. Du kan inte bara släppa en provflaska i en auto-samplers fack, trycka på en knapp och få en dator att berätta allt du behöver veta om provet. Enligt de ämnen man förväntar sig att hitta operationsprogrammet måste väljas noggrant.

en tryckknappsoperation kan förekomma för att köra liknande prover upprepade gånger, t.ex. i en kemisk produktionsmiljö eller för att jämföra 20 prover från samma experiment för att beräkna medelinnehållet i samma ämne. Men för den typ av utredningsarbete som visas i böcker, filmer och TV-program är det helt klart inte fallet.

tillverkare av gaskromatografer, kolumner och tillbehör

instrumenttillverkare

• Agilent Technologies (tidigare Hewlett-Packard)
• GOW-MAC Instrument Co.
• HTA
• PerkinElmer, Inc.
• Shimadzu Corporation
• Thermo Electron Corporation(tidigare Carlo Erba Strumentazioni)
• Varian, Inc.
• Dani Instruments SpA

kolonner och tillbehör för gaskromatografi

• Agilent Technologies
• Phenomenex
• Sigma-Aldrich
• SGE analytisk vetenskap
• Varian, Inc.
• DANI instrument SpA
• Pierce Biotechnology, Inc.

Se även

• tunnskiktskromatografi
• analytisk kemi
• kromatografi
• gaskromatografi-masspektrometri
• standardtillägg

• Mall:Dmoz

• Gas Chromatography Help Site

bs:Gasna hromatografijade:Gaschromatographieit:Gascromatografianl:Gaschromatografieno:Gasskromatografisk:Plynová chromatografiafi:Kaasukromatografiasv:Gaskromatografi